基于CMOS工艺的140GHz片上天线的研究

【摘要】工作于太赫兹频段的高频电磁波在各领域的研究实践随着太赫兹波源的突破性进展已在全世界掀起了研究热潮。太赫兹技术之所以会引起如此大的关注，主要在于其所处的特殊频段位置（0.1~10THz）表现出的独特性质为人们提供了新的研究思路。太赫兹波具有更高的分辨率，更好的方向性、保密性和抗干扰能力以及相对较短的波长所带来的天线尺寸更小使其电路结构更加简单紧凑等优势。太赫兹波具有的一系列优良的电磁特性使其在通信、光谱及成像等领域应用潜力巨大。本文设计的天线工作频率为140GHz，亦处在太赫兹频段内。如何在如此高的频率上保证良好的天线性能以顺应太赫兹技术的发展成为本文研究的主要内容。对于传统的天线设计而言，辐射天线通常被放置在芯片封装的外部，依靠馈线连接到芯片引脚上。由于此设计过长的连接电路及复杂的阻抗匹配关系，对于高频信号来说，将会导致严重的电磁能量耗散，使高频天线具有极低的辐射效率。而随着当今集成化技术的飞速发展，片上天线（AntennasonChip:AOC）技术的提出为高频天线提供了良好的设计环境并逐渐成为高频天线设计的主流技术。然而片上环境也有其致命的缺点：其工艺中硅衬底的高介电常数及低电阻率会吸收大量的辐射能量，导致天线效率的大幅度下降，因此我们要采取有效的隔绝措施将天线与硅衬底分隔开来。而人工磁导体（ArtificialMagneticConductor:AMC）凭借其特有的表面波带隙及反射相位带隙作为一种非常好的隔绝材料被我们应用于片上天线的设计中。本文的主要研究脉络及设计内容如下：(1)设计并研究了基于SMIC标准CMOS工艺的140GHz微带天线，包括矩形微带天线及E型微带天线。详细讨论了两款微带天线各参数对其性能的影响，用E型微带天线改善了矩形微带天线的带宽特性。(2)设计并研究了基于SMIC标准CMOS工艺的140GHz偶极子天线，通过与加载接地板的偶极子天线的仿真结果对比，论证了在天线与硅基底间应加载一定隔绝措施的必要性。引出接下来对于人工磁导体的设计与研究。(3)设计并研究了工作于140GHz的“中”型人工磁导体及“狗骨头”型人工磁导体，对构成其结构的各参数尺寸大小及其在不同金属层位置对其反射特性的影响做了详细的讨论与研究。(4)将所设计的人工磁导体应用于偶极子片上天线结构中，优化了天线各性能参数。讨论了人工磁导体不同阵列及在不同金属层上对天线性能的影响，并得到了改变人工磁导体阵列进而改善片上天线性能的规律。
【作者】宋正正；
【导师】罗国清；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】太赫兹；140GHz；片上天线；CMOS工艺；微带天线；偶极子天线；人工磁导体；

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